En idé fra 1931
I 1931 foreslog fysikeren Hans Bethe, at partikler i visse endimensionelle kvantesystemer kunne samle sig i kollektive tilstande. Disse tilstande fik senere hans navn. I modsætning til molekyler holdes Bethe-strenge ikke sammen af kemiske bindinger. Partiklerne forbliver bundne på grund af den måde, de interagerer på, og tilstandene kan kun eksistere i én dimension.
I det meste af et århundrede var de primært en teoretisk idé. Et hold ved University of Innsbruck har nu skabt og påvist dem i en gas af ultrakolde atomer i samarbejde med teorigrupper ved University of Amsterdam og Technische Universität München. Arbejdet blev offentliggjort i Nature Communications.
Kolde atomer i smalle rør
Eksperimentet, ledet af Hanns-Christoph Naegerl, begyndte med en sky af cæsiumatomer nedkølet til inden for nogle få milliardtedele af en grad fra det absolutte nulpunkt. Forskerne opdelte derefter skyen i flere tusinde meget smalle rør. Inde i hvert rør kan atomerne kun bevæge sig i én retning, hvilket skaber den endimensionelle ramme, strengene har brug for.
Holdet kan også justere, hvor stærkt atomerne interagerer. Da de ændrede interaktionerne fra frastødende til tiltrækkende, bandt atomerne sig sammen. I stedet for at kollapse i én enkelt gruppe dannede de bundne tilstande af flere forskellige størrelser, og nogle af de større klynger holdt seks eller flere partikler.
Kollisioner der lader strengene være intakte
Det svære var at bevise, at partiklerne virkelig var bundne. En test lod strengene udvide sig, mens de stadig var begrænset til deres rør. Da de udvidede sig, mødtes strengene og kolliderede, men de bundne strukturer overlevede. "Dette er et bemærkelsesværdigt træk ved strengene: de kan kollidere uden at gå i stykker," sagde hovedforfatter Milena Horvath.
En anden test fjernede indeslutningen og lod atomerne sprede sig gennem tredimensionelt rum. Fordi Bethe-strenge kun eksisterer i én dimension, brød de bundne tilstande op, og den energi, der havde holdt dem, blev til bevægelse. Atomerne spredte sig derefter hurtigere, og den ekstra energi gav forskerne et klart signal om strengene.
Gruppen siger, at systemet tilbyder en kontrollerbar ny platform til at studere kvante-mangelegemefysik. Bethe-strenge var blevet set før i faststofmagneter, men kolde atomer lader forskere justere geometri, tæthed og interaktionsstyrke med høj præcision.